EP1935530A1 - Method for manufacturing a ceramic casting die and utilisation of the same - Google Patents

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EP1935530A1
EP1935530A1 EP06026613A EP06026613A EP1935530A1 EP 1935530 A1 EP1935530 A1 EP 1935530A1 EP 06026613 A EP06026613 A EP 06026613A EP 06026613 A EP06026613 A EP 06026613A EP 1935530 A1 EP1935530 A1 EP 1935530A1
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mold
shell
casting
cores
casting cores
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Withdrawn
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EP06026613A
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Holger Grote
Margarete Herz
Christian Nikasch
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Original Assignee
Siemens AG
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    • B22C7/06—Core boxes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a ceramic shell mold for precision casting components, in particular for turbine components, as well as a use of such shell molds.
  • a method is disclosed in which investment casting components such as turbine blades for industrial gas turbines are manufactured in a multi-step process (see Fig. 1 ).
  • This reflects the current state of the art for making ceramic shell molds.
  • a master model of special waxes is produced 1.
  • Several wax forms are assembled into model grapes 2.
  • On the wax molds is applied in layers by immersion 3 in a ceramic bath fine-grained material and coarse-grained material introduced by Sanding 4. This is carried out until a layer of sufficient thickness is formed. Subsequently, the wax is melted out. 5.
  • the ceramic mold is fired in an oven 6 to obtain the finished shell mold (negative).
  • the casting process 7 can take place.
  • the ceramic mold can be removed.
  • the ceramic mold is destroyed.
  • the last steps are followed by the separation from the sprue system 9 and the reworking 10 of the cast investment casting, for example by sandblasting.
  • a critical parameter for the quality of the finished component is the dimensional stability, which is essentially determined by the thermal, mechanical and mineralogical behavior of the shell material. Furthermore, several parts that are used in the manufacturing process (wax mold and Mold shell), not reusable, which causes greater costs.
  • the invention has for its object to provide an advantageous method for producing a ceramic shell mold for investment casting available.
  • the ceramic shell mold is produced in a sol-gel casting process.
  • a sol ie a colloidal solution (particles dispersed finely in the solvent) is converted into a gel (for example by sudden cooling).
  • a gel is meant a finely dispersible system having at least one solid and one liquid phase in which the solid phase forms a three-dimensional network whose pores are filled with the liquid.
  • the colloidal solution in this case represents the liquid phase and the gel is the solid phase of the overall system.
  • the use of a casting technique according to the sol-gel process offers better dimensional accuracy (dimensional stability) of the component.
  • a zero shrinkage can be realized by the special casting process (cancellation of the positive sinter shrinkage due to negative shrinkage due to reaction mullite formation), whereby the dimensional stability of the shell mold is decisively improved.
  • the mold shell only needs to be removed from the mold after casting and then dried. This eliminates the repeated dipping, sanding and drying of the individual layers, as is known from the prior art.
  • the shell mold After drying, the shell mold is sintered and subsequently reworked. By sintering the ceramic material is compacted and recrystallized and thereby obtains its strength properties.
  • the finished shell mold can be coated from the inside, so that an easier removal of the components is made possible.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the shell mold is poured in several parts. This allows a non-destructive demoulding of the investment casting component.
  • associated with the mold shell casting cores can be produced. This allows the production of investment castings with complex geometry.
  • the mold shell and / or the casting cores can be made in preforms of hard anodized aluminum. These are low-wear and offer high reusability.
  • the mold shells and / or casting cores produced by the method according to the invention can be reused in particular.
  • the reusability enables reduction of the disposable parts in the manufacturing process, such as the wax molds used in the prior art manufacturing process.
  • the possibility of reusing the shell molds and / or casting cores also allows a significant cost and time reduction.
  • the material and / or processing parameters such as the parameters of the sudden cooling in the sol-gel conversion or the temperature during the subsequent sintering, have a significant influence on the later properties of the ceramic shell mold.
  • the material and / or processing parameters are adjusted so that the mold shell and / or the casting cores have a thermal shock resistance of more than thirty cycles.
  • the thermal shock resistance is a measure of the reusability of the shell mold and / or the casting cores. Thirty cycles allow thirty runs of the same ceramic shell mold.
  • the material and / or processing parameters can be adjusted so that the mold shell and / or the casting cores at 1400 ° C have a thermal expansion of 6.5 to 6.9 x 10 -6 K -1 .
  • the thus very low thermal expansion ensures good dimensional accuracy of the shell mold and / or the casting cores.
  • the material and / or processing parameters of the mold shell and / or the casting cores can be adjusted so that the mold shell and / or the casting cores have a hot bending strength of 3 to 6 MPa at 1400 ° C.
  • the hot bending strength can be increased.
  • the material and / or processing parameters are adjusted so that the mold shell and / or the casting cores have a smoother surface structure than pressed ceramic molded parts.
  • the mold shell and / or the casting cores can be produced, for example, from aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and an aluminum silicate.
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • aluminum silicate aluminum silicate
  • Such materials meet the above requirements.
  • the crystal structure of the Al 2 O 3 , the composition of the aluminum silicate and / or the ratio of Al 2 O 3 to aluminum silicate can serve as adjustable material parameters.
  • the material may have a weight fraction of more than about 50% aluminum oxide and less than about 50% aluminum silicate.
  • a particularly suitable material can be produced, for example, from corundum, ie rhombohedral ⁇ -Al 2 O 3 , and mullite as aluminum silicate.
  • the casting cores may alternatively be made of injection-molded plastic, which is burned out after removal from the mold. This offers advantages in very complex or fine component internal geometries such as e.g. Cooling air ducts that can not be displayed with reusable cores.
  • the finished ceramic shell mold is used for the production of precision casting components, in particular of turbine components.
  • Fig. 2 shows the production of a precision casting component according to the inventive method from producing the preform 11 to producing the precision casting component 30 in a flow chart.
  • the mold shell is required to have sufficient strength in both the green (ie unfired) and fired states. This allows a good handling. In air processes, good gas permeability must be ensured. Furthermore, the shell should be characterized by a high surface quality. Depending on the type of solidification, grain refinement in facecoating is required. In addition, the shell should have good separation properties. A low coefficient of expansion ( ⁇ 100 x 10 -7 K -1 ) is also desirable. Another advantage is a high thermal shock resistance. Furthermore, a targeted grain distribution and a targeted grain structure should take place. Low wettability with liquid metal should also be present. Also advantageous are high thermal conductivity, rapid heat dissipation and high gradients. In vacuum casting, the mold shell should also have good resistance to vacuum (at low vapor pressure).
  • the production consists of the steps of producing the preform 11, producing the shell mold 20 and producing the component 30.
  • the production of the shell mold 20 is divided into the sub-steps casting 21, demolding 22, drying 23, sintering 24 and rework 25.
  • the manufacture of the component 30 is divided into the steps casting 31, demoulding 32 and rework 33.
  • the shape of the preform is based on a 3D model of the investment casting, which takes into account the shrinkage of the material used.
  • the preform can be made, for example, by machining. It can be hard-anodized on the inside, leaving a smaller one Wear occurs and the mold can be reused several times.
  • the casting method used according to the invention is a sol-gel process.
  • the transition from the liquid sol to the ceramic material takes place via a gel state.
  • the gel obtains solid-state properties by transferring the gel into an oxide-ceramic material. This transition is brought about by a controlled heat treatment under air.
  • a corundum-mullite material is used for producing the molded shell, wherein the three further constituents silicic acid (Si (OH) 4 ), water (H 2 O and reactive alumina) are added to the molding compound
  • the aluminum oxide is between about 55% and 70%
  • the mullite as aluminum silicate between about 30% and 45%
  • the water between about 4% and 7%
  • the silica is used as a sol or colloidal solution with a weight fraction of between about 4% and 8% are added, the proportion of reactive alumina is between about 15% and 30%.
  • All five components are combined in a mixing process to form a molding compound and then cast under vibration in a mold.
  • the casting mold is then cooled abruptly (starting from room temperature).
  • the silica contained in the molding composition as a sol solidified into a gel.
  • the molding material is solidified as a whole.
  • the mold shell produced by this process is then removed from the mold 22.
  • the prefabricated mold shell is dried 23 so that no vapor bubbles develop during the subsequent casting of the component.
  • the shell mold After drying 23, the shell mold is subjected to a sintering process 24.
  • sintering 24 at a certain temperature recrystallization of the shell mold material takes place, whereby its strength is increased.
  • the molding compound is fired at a sintering temperature in the range between about 1300 ° C and about 1600 ° C. Because of this comparatively low firing temperature, fiber reinforcements used in the molding compound can be present, so that overall a fiber-reinforced ceramic can be produced.
  • the last step is the reworking 25 of the finished ceramic shell mold. For example, burrs created by joints in the preform are removed.
  • the component 30 is manufactured by casting 31.
  • the component can be cast, for example, from a nickel or cobalt base superalloy.
  • the liquid melt is poured into the ceramic shell mold.
  • the molded component is removed from the mold 32, a multi-part mold ensuring that even components with complex geometry can be produced.
  • the reworking of the component 33 takes place, for example removal of the burrs, heat treatments for increasing the strength, etc.
  • compressor blades can also be produced by the method according to the invention.

Abstract

Production of a ceramic molding shell comprises casting the molding shell.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Formschale für Feingussbauteile, insbesondere für Turbinenbauteile, sowie eine Verwendung derartiger Formschalen.The invention relates to a method for producing a ceramic shell mold for precision casting components, in particular for turbine components, as well as a use of such shell molds.

In der Dissertation von Anja Pfennig, "Mikrostruktur und Eigenschaften keramischer Formmassen im Feinguss", Erlangen 2001 , wird ein Verfahren offenbart, in dem Feingussbauteile wie Turbinenschaufeln für industrielle Gasturbinen in einem mehrschrittigen Prozess hergestellt werden (siehe Fig. 1). Dieses spiegelt den gegenwärtigen Stand der Technik für das Herstellen keramischer Formschalen wider. Zunächst wird ein Urmodell aus Spezialwachsen hergestellt 1. Mehrere Wachsformen werden zu Modelltrauben zusammengesetzt 2. Auf die Wachsformen wird schichtweise durch Eintauchen 3 in ein Keramikbad feinkörniges Material aufgetragen und grobkörniges Material durch Besandung 4 eingebracht. Dies wird so lange durchgeführt, bis eine Schicht ausreichender Dicke entstanden ist. Anschließend wird das Wachs ausgeschmolzen 5. Die Keramikform wird in einem Ofen gebrannt 6, um die fertige Formschale (Negativ) zu erhalten. Danach kann der Gussvorgang 7 erfolgen. Nach dem Gießen 7 des Schmelzmaterials in die Keramikform, Erstarren der Schmelze und weiterem Abkühlen kann die Keramikform entfernt 8 werden. Dabei wird die Keramikform zerstört. Als letzte Schritte folgen das Trennen vom Angusssystem 9 und das Nachbearbeiten 10 des gegossenen Feingussbauteils zum Beispiel durch Sandstrahlen.In the dissertation of Anja Pfennig, "Microstructure and properties of ceramic molding compounds in precision casting", Erlangen 2001 , a method is disclosed in which investment casting components such as turbine blades for industrial gas turbines are manufactured in a multi-step process (see Fig. 1 ). This reflects the current state of the art for making ceramic shell molds. First, a master model of special waxes is produced 1. Several wax forms are assembled into model grapes 2. On the wax molds is applied in layers by immersion 3 in a ceramic bath fine-grained material and coarse-grained material introduced by Sanding 4. This is carried out until a layer of sufficient thickness is formed. Subsequently, the wax is melted out. 5. The ceramic mold is fired in an oven 6 to obtain the finished shell mold (negative). Thereafter, the casting process 7 can take place. After casting 7 of the melt material into the ceramic mold, solidification of the melt and further cooling, the ceramic mold can be removed. The ceramic mold is destroyed. The last steps are followed by the separation from the sprue system 9 and the reworking 10 of the cast investment casting, for example by sandblasting.

Ein kritischer Parameter für die Qualität des fertigen Bauteils ist die Maßhaltigkeit, die wesentlich durch das thermische, mechanische und mineralogische Verhalten des Formschalenmaterials bestimmt ist. Des Weiteren sind mehrere Teile, die im Herstellungsprozess Verwendung finden (Wachsform und Formschale), nicht wieder verwendbar, was größere Kosten verursacht.A critical parameter for the quality of the finished component is the dimensional stability, which is essentially determined by the thermal, mechanical and mineralogical behavior of the shell material. Furthermore, several parts that are used in the manufacturing process (wax mold and Mold shell), not reusable, which causes greater costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer keramischen Formschale für Feingussbauteile zur Verfügung zu stellen.The invention has for its object to provide an advantageous method for producing a ceramic shell mold for investment casting available.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Formschale für Feingussbauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The object is achieved by a method for producing a ceramic shell mold for precision casting components with the features of claim 1. The dependent claims contain advantageous developments of the invention.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Herstellung einer keramischen Formschale für Feingussbauteile, bei dem die Formschale gegossen wird.According to the invention, the solution of the problem in a method for producing a ceramic shell mold for precision casting, in which the shell mold is poured.

Durch das Gießen der Formschale findet eine Verkürzung und Verringerung der Anzahl der Schritte zur Herstellung eines Feingussbauteils und damit verbunden eine Kosten- und Zeitaufwandreduktion statt.By casting the mold shell, there is a reduction and reduction in the number of steps for producing a precision casting component and, associated with this, a cost and time reduction.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die keramische Formschale in einem Sol-Gel-Gießverfahren hergestellt. In einem Sol-Gel-Verfahren wird ein Sol, also eine kolloidale Lösung (fein im Lösungsmittel verteilte Teilchen) in ein Gel umgewandelt (bspw. durch sprunghaftes Abkühlen). Unter einem Gel ist ein feindispersives System mit wenigstens einer festen und einer flüssigen Phase zu verstehen, in dem die feste Phase ein dreidimensionales Netzwerk bildet, dessen Poren mit der Flüssigkeit gefüllt sind. Die kolloidale Lösung stellt dabei die flüssige Phase und das Gel die feste Phase des Gesamtsystems dar. Die Verwendung einer Gießtechnik nach dem Sol-Gel-Verfahren bietet eine bessere Formtreue (Maßhaltigkeit) des Bauteils. Durch das spezielle Gießverfahren kann außerdem eine Null-Schwindung realisiert werden (Aufhebung der positiven Sinterschwindung durch negative Schwindung auf Grund von Reaktionsmullit-Bildung), wodurch die Maßhaltigkeit der Formschale entscheidend verbessert wird.In an advantageous embodiment of the invention, the ceramic shell mold is produced in a sol-gel casting process. In a sol-gel process, a sol, ie a colloidal solution (particles dispersed finely in the solvent) is converted into a gel (for example by sudden cooling). By a gel is meant a finely dispersible system having at least one solid and one liquid phase in which the solid phase forms a three-dimensional network whose pores are filled with the liquid. The colloidal solution in this case represents the liquid phase and the gel is the solid phase of the overall system. The use of a casting technique according to the sol-gel process offers better dimensional accuracy (dimensional stability) of the component. In addition, a zero shrinkage can be realized by the special casting process (cancellation of the positive sinter shrinkage due to negative shrinkage due to reaction mullite formation), whereby the dimensional stability of the shell mold is decisively improved.

Die Formschale braucht nach dem Gießen lediglich entformt und anschließend getrocknet zu werden. Dadurch entfällt das mehrmalige Tauchen, Besanden und Trocknen der einzelnen Schichten, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.The mold shell only needs to be removed from the mold after casting and then dried. This eliminates the repeated dipping, sanding and drying of the individual layers, as is known from the prior art.

Nach dem Trocknen wird die Formschale gesintert und anschließen nachbearbeitet. Durch den Sintervorgang wird der keramische Werkstoff verdichtet und rekristallisiert und erhält hierdurch seine Festigkeitseigenschaften.After drying, the shell mold is sintered and subsequently reworked. By sintering the ceramic material is compacted and recrystallized and thereby obtains its strength properties.

Die fertige Formschale kann von innen beschichtet werden, so dass ein leichteres Entformen der Bauteile ermöglicht wird.The finished shell mold can be coated from the inside, so that an easier removal of the components is made possible.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Formschale mehrteilig gegossen wird. Dadurch wird ein zerstörungsfreies Entformen des Feingussbauteils ermöglicht.A further advantageous embodiment of the invention is that the shell mold is poured in several parts. This allows a non-destructive demoulding of the investment casting component.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können zu der Formschale gehörige Gusskerne hergestellt werden. Dies ermöglicht ein Herstellen von Feingussteilen mit komplexer Geometrie.In a further advantageous embodiment of the invention associated with the mold shell casting cores can be produced. This allows the production of investment castings with complex geometry.

Weiterhin können die Formschale und/oder die Gusskerne in Vorformen aus harteloxiertem Aluminium hergestellt werden. Diese sind verschleißarm und bieten eine hohe Wiederverwendbarkeit.Furthermore, the mold shell and / or the casting cores can be made in preforms of hard anodized aluminum. These are low-wear and offer high reusability.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Formschalen und/oder Gusskerne können insbesondere wiederverwendet werden. Die Wiederverwendbarkeit ermöglicht eine Reduktion der Einwegteile im Herstellungsprozess, wie zum Beispiel die Wachsformen, die beim Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik verwendet werden. Die Möglichkeit der Wiederverwendung der Formschalen und/oder Gusskerne ermöglicht außerdem eine deutliche Kosten- und Zeitaufwandreduktion.The mold shells and / or casting cores produced by the method according to the invention can be reused in particular. The reusability enables reduction of the disposable parts in the manufacturing process, such as the wax molds used in the prior art manufacturing process. The possibility of reusing the shell molds and / or casting cores also allows a significant cost and time reduction.

Die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter, wie etwa die Parameter der sprunghaften Abkühlung bei der Sol-Gel-Umwandlung oder die Temperatur beim späteren Sintern, haben einen wesentlichen Einfluss auf die späteren Eigenschaften der keramischen Formschale. Vorteilhafterweise werden die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter so eingestellt, dass die Formschale und/oder die Gusskerne eine Temperaturwechselbeständigkeit von mehr als dreißig Zyklen aufweisen. Die Temperaturwechselbeständigkeit ist ein Maß für die Wiederverwendbarkeit der Formschale und/oder der Gusskerne. Bei dreißig Zyklen ist eine Durchführung von dreißig Gießvorgängen mit derselben keramischen Formschale möglich.The material and / or processing parameters, such as the parameters of the sudden cooling in the sol-gel conversion or the temperature during the subsequent sintering, have a significant influence on the later properties of the ceramic shell mold. Advantageously, the material and / or processing parameters are adjusted so that the mold shell and / or the casting cores have a thermal shock resistance of more than thirty cycles. The thermal shock resistance is a measure of the reusability of the shell mold and / or the casting cores. Thirty cycles allow thirty runs of the same ceramic shell mold.

Weiterhin können die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter so eingestellt werden, dass die Formschale und/oder die Gusskerne bei 1400°C eine thermische Dehnung von 6,5 bis 6,9 x 10-6K-1 aufweisen. Die damit sehr niedrige thermische Dehnung gewährleistet eine gute Maßhaltigkeit der Formschale und/oder der Gusskerne.Furthermore, the material and / or processing parameters can be adjusted so that the mold shell and / or the casting cores at 1400 ° C have a thermal expansion of 6.5 to 6.9 x 10 -6 K -1 . The thus very low thermal expansion ensures good dimensional accuracy of the shell mold and / or the casting cores.

Außerdem können die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter der Formschale und/oder der Gusskerne so eingestellt werden, dass die Formschale und/oder die Gusskerne bei 1400°C eine Heißbiegefestigkeit von 3 bis 6 MPa aufweisen. Beim Brennen der Keramik können Schmelzphasen entstehen, die Deformierungen verursachen können. Durch Erhöhung der Heißbiegefestigkeit kann die Deformation beim Brennen der Form minimiert werden.In addition, the material and / or processing parameters of the mold shell and / or the casting cores can be adjusted so that the mold shell and / or the casting cores have a hot bending strength of 3 to 6 MPa at 1400 ° C. When the ceramic is fired, melting phases can occur which can cause deformations. By increasing the hot bending strength, the deformation when firing the mold can be minimized.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter so eingestellt, dass die Formschale und/oder die Gusskerne eine glattere Oberflächenstruktur aufweisen als gepresste keramische Formteile. Dadurch dass die Oberflächenstruktur der Formschale und/oder der Gusskerne glatter ist, kann auch eine glattere Oberflächenstruktur des fertigen Reingussteils erreicht werden.In a further advantageous development of the invention, the material and / or processing parameters are adjusted so that the mold shell and / or the casting cores have a smoother surface structure than pressed ceramic molded parts. The fact that the surface structure of the shell mold and / or the casting cores is smoother, a smoother surface structure of the finished recessed part can be achieved.

Die Formschale und/oder die Gusskerne können bspw. aus Aluminiumoxid (Al2O3) und einem Aluminiumsilikat hergestellt werden. Derartige Werkstoffe erfüllen die oben genannten Anforderungen. Als einstellbare Werkstoffparameter können hierbei bspw. die Kristallstruktur des Al2O3, die Zusammensetzung des Aluminiumsilikates und/oder das Verhältnis von Al2O3 zu Aluminiumsilikat dienen. Insbesondere kann der Werkstoff einen Gewichtsanteil von mehr als ca. 50% Aluminiumoxid und weniger als ca. 50% Aluminiumsilikat aufweisen.The mold shell and / or the casting cores can be produced, for example, from aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and an aluminum silicate. Such materials meet the above requirements. For example, the crystal structure of the Al 2 O 3 , the composition of the aluminum silicate and / or the ratio of Al 2 O 3 to aluminum silicate can serve as adjustable material parameters. In particular, the material may have a weight fraction of more than about 50% aluminum oxide and less than about 50% aluminum silicate.

Ein besonders geeigneter Werkstoff kann bspw. aus Korund, also rhomboedrischem α-Al2O3, und Mullit als Aluminiumsilikat hergestellt werden.A particularly suitable material can be produced, for example, from corundum, ie rhombohedral α-Al 2 O 3 , and mullite as aluminum silicate.

Die Gusskerne können alternativ auch aus spritzgegossenem Kunststoff hergestellt werden, der nach dem Entformen ausgebrannt wird. Dies bietet Vorteile bei sehr komplexen oder feinen Bauteilinnengeometrien wie z.B. Kühlluftkanälen, die nicht mit wiederverwendbaren Kernen dargestellt werden können.The casting cores may alternatively be made of injection-molded plastic, which is burned out after removal from the mold. This offers advantages in very complex or fine component internal geometries such as e.g. Cooling air ducts that can not be displayed with reusable cores.

In noch einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die fertige keramische Formschale für das Herstellen von Feingussbauteilen, insbesondere von Turbinenbauteilen, verwendet.In yet an advantageous development of the invention, the finished ceramic shell mold is used for the production of precision casting components, in particular of turbine components.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur.

Fig.1
stellt das herkömmliche Gießverfahren nach dem Stand der Technik dar.
Fig.2
stellt den Ablauf des erfindungsgemäßen Gießverfahrens von der Vorform bis zum fertigen Bauteil dar.
Further features, properties and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the accompanying figure.
Fig.1
illustrates the conventional casting method of the prior art.
Fig.2
represents the sequence of the casting method according to the invention from the preform to the finished component.

Fig. 2 zeigt die Herstellung eines Feingussbauteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vom Herstellen der Vorform 11 bis zum Herstellen des Feingussbauteils 30 in einem Flussdiagramm. Fig. 2 shows the production of a precision casting component according to the inventive method from producing the preform 11 to producing the precision casting component 30 in a flow chart.

An die Formschale wird die Anforderung gestellt, dass sie eine ausreichende Festigkeit sowohl im grünen (d.h. im ungebrannten) als auch gebrannten Zustand aufweisen soll. Dies ermöglicht eine gute Handhabung. Bei Prozessen an Luft muss eine gute Gasdurchlässigkeit gewährleistet sein. Weiterhin sollte sich die Formschale durch eine hohe Oberflächengüte auszeichnen. Je nach Erstarrungsart ist eine Kornfeinung im Facecoating erforderlich. Außerdem sollte die Formschale gute Separationseigenschaften besitzen. Ein niedriger Ausdehnungskoeffizient (< 100 x 10-7 K-1) ist ebenfalls wünschenswert. Vorteilhaft ist auch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit. Weiterhin sollten eine gezielte Kornverteilung und ein gezielter Kornaufbau stattfinden. Eine geringe Benetzbarkeit mit Flüssigmetall sollte ebenfalls gegeben sein. Vorteilhaft sind auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine schnelle Wärmeabfuhr und hohe Gradienten. Bei Vakuumgussverfahren sollte die Formschale außerdem eine gute Beständigkeit im Vakuum (bei niedrigem Dampfdruck) aufweisen.The mold shell is required to have sufficient strength in both the green (ie unfired) and fired states. This allows a good handling. In air processes, good gas permeability must be ensured. Furthermore, the shell should be characterized by a high surface quality. Depending on the type of solidification, grain refinement in facecoating is required. In addition, the shell should have good separation properties. A low coefficient of expansion (<100 x 10 -7 K -1 ) is also desirable. Another advantage is a high thermal shock resistance. Furthermore, a targeted grain distribution and a targeted grain structure should take place. Low wettability with liquid metal should also be present. Also advantageous are high thermal conductivity, rapid heat dissipation and high gradients. In vacuum casting, the mold shell should also have good resistance to vacuum (at low vapor pressure).

Die Herstellung besteht aus den Schritten Herstellung der Vorform 11, Herstellen der Formschale 20 und Herstellen des Bauteils 30. Das Herstellen der Formschale 20 gliedert sich in die Teilschritte Gießen 21, Entformen 22, Trocknen 23, Sintern 24 und Nacharbeit 25. Das Herstellen des Bauteils 30 gliedert sich in die Schritte Gießen 31, Entformen 32 und Nacharbeit 33.The production consists of the steps of producing the preform 11, producing the shell mold 20 and producing the component 30. The production of the shell mold 20 is divided into the sub-steps casting 21, demolding 22, drying 23, sintering 24 and rework 25. The manufacture of the component 30 is divided into the steps casting 31, demoulding 32 and rework 33.

Die Formgebung der Vorform basiert auf einem 3D-Modell des Feingussbauteils, in der die für den verwendeten Werkstoff bestimmte Schwindung berücksichtigt ist. Die Vorform kann zum Beispiel durch spanende Bearbeitung hergestellt werden. Sie kann auf der Innenseite harteloxiert sein, so dass ein geringer Verschleiß auftritt und die Form mehrfach wieder verwendet werden kann.The shape of the preform is based on a 3D model of the investment casting, which takes into account the shrinkage of the material used. The preform can be made, for example, by machining. It can be hard-anodized on the inside, leaving a smaller one Wear occurs and the mold can be reused several times.

Bei der Herstellung der Formschale 20 findet zunächst der Gussvorgang 21 statt. Das erfindungsgemäß angewendete Gießverfahren ist ein Sol-Gel-Verfahren. Beim Sol-Gel-Verfahren erfolgt der Übergang vom flüssigen Sol zum keramischen Werkstoff jeweils über einen Gel-Zustand. Das Gel erhält Festkörpereigenschaften durch Überführung des Gels in einen oxidkeramischen Werkstoff. Dieser Übergang wird durch eine kontrollierte Wärmebehandlung unter Luft herbeigeführt.In the production of the shell mold 20, the casting process 21 takes place first. The casting method used according to the invention is a sol-gel process. In the sol-gel process, the transition from the liquid sol to the ceramic material takes place via a gel state. The gel obtains solid-state properties by transferring the gel into an oxide-ceramic material. This transition is brought about by a controlled heat treatment under air.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommt ein Korund-Mullit-Werkstoff zum Herstellen der Formschale zur Anwendung, wobei der Formmasse noch die drei weiteren Bestandteile Kieselsäure (Si(OH)4)), Wasser (H2O und reaktive Tonerde zugemischt werden. Die Gewichtsanteile dieser Bestandteile betragen beim Korund als Aluminiumoxid zwischen zirka 55% und 70%, beim Mullit als Aluminiumsilikat zwischen zirka 30% und 45% und beim Wasser zwischen zirka 4% und 7%. Die Kieselsäure wird als Sol- bzw. kolloidale Lösung mit einem Gewichtsanteil von zwischen zirka 4% und 8% zugegeben. Der Anteil an reaktiver Tonerde beträgt zwischen zirka 15% und 30%.In the present exemplary embodiment, a corundum-mullite material is used for producing the molded shell, wherein the three further constituents silicic acid (Si (OH) 4 ), water (H 2 O and reactive alumina) are added to the molding compound In the case of corundum, the aluminum oxide is between about 55% and 70%, the mullite as aluminum silicate between about 30% and 45% and the water between about 4% and 7% The silica is used as a sol or colloidal solution with a weight fraction of between about 4% and 8% are added, the proportion of reactive alumina is between about 15% and 30%.

Alle fünf Bestandteile werden in einem Mischvorgang zu einer Formmasse zusammengefügt und nachfolgend unter Vibration in eine Gießform vergossen. Die Gießform wird anschließend sprunghaft (ausgehend von Raumtemperatur) abgekühlt. Dadurch verfestigt sich die in der Formmasse als Sol enthaltene Kieselsäure zu einem Gel. Dabei wird auch die Formmasse insgesamt verfestigt.All five components are combined in a mixing process to form a molding compound and then cast under vibration in a mold. The casting mold is then cooled abruptly (starting from room temperature). As a result, the silica contained in the molding composition as a sol solidified into a gel. In this case, the molding material is solidified as a whole.

Die durch dieses Verfahren hergestellte Formschale wird anschließend entformt 22. Im nächsten Schritt wird die vorgefertigte Formschale getrocknet 23, damit sich beim späteren Gießen des Bauteils keine Dampfblasen entwickeln.The mold shell produced by this process is then removed from the mold 22. In the next step, the prefabricated mold shell is dried 23 so that no vapor bubbles develop during the subsequent casting of the component.

Nach dem Trocknen 23 wird die Formschale einem Sinterprozess 24 unterzogen. Durch Sintern 24 bei einer bestimmten Temperatur findet eine Rekristallisierung des Formschalenwerkstoffs statt, wodurch seine Festigkeit erhöht wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Formmasse bei einer Sintertemperatur im Bereich zwischen zirka 1300°C und zirka 1600°C gebrannt. Auf Grund dieser vergleichsweise niedrigen Brenntemperatur können sich in der Formmasse eingesetzte Faserverstärkungen befinden, so dass insgesamt eine faserverstärkte Keramik hergestellt werden kann.After drying 23, the shell mold is subjected to a sintering process 24. By sintering 24 at a certain temperature recrystallization of the shell mold material takes place, whereby its strength is increased. In the present embodiment, the molding compound is fired at a sintering temperature in the range between about 1300 ° C and about 1600 ° C. Because of this comparatively low firing temperature, fiber reinforcements used in the molding compound can be present, so that overall a fiber-reinforced ceramic can be produced.

Der letzte Schritt ist das Nacharbeiten 25 der fertigen keramischen Formschale. Hierbei werden zum Beispiel Grate, die durch Trennfugen in der Vorform entstanden sind, entfernt.The last step is the reworking 25 of the finished ceramic shell mold. For example, burrs created by joints in the preform are removed.

Wenn die keramische Formschale auf diese Weise fertig gestellt worden ist, erfolgt das Herstellen des Bauteils 30 durch Gießen 31. Das Bauteil kann bspw. aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis gegossen werden. Zuerst wird die flüssige Schmelze in die keramische Formschale gegossen. Nach einer Erstarrungs- und Abkühlungsphase wird das gegossene Bauteil entformt 32, wobei eine mehrteilige Form gewährleistet, dass auch Bauteile mit komplexer Geometrie hergestellt werden können. Im letzten Schritt erfolgt die Nacharbeit des Bauteils 33, zum Beispiel Entfernen der Grate, Wärmebehandlungen zum Erhöhen der Festigkeit, etc.When the ceramic shell mold has been completed in this way, the component 30 is manufactured by casting 31. The component can be cast, for example, from a nickel or cobalt base superalloy. First, the liquid melt is poured into the ceramic shell mold. After a solidification and cooling phase, the molded component is removed from the mold 32, a multi-part mold ensuring that even components with complex geometry can be produced. In the last step, the reworking of the component 33 takes place, for example removal of the burrs, heat treatments for increasing the strength, etc.

Außer Turbinenschaufeln können zum Beispiel auch Verdichterschaufeln mit dem erfindungemäßen Verfahren hergestellt werden.In addition to turbine blades, for example, compressor blades can also be produced by the method according to the invention.

Claims (17)

Verfahren zur Herstellung einer keramischen Formschale (20) für Feingussbauteile,
insbesondere für Turbinenbauteile,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale gegossen wird (21).Method for producing a ceramic shell mold (20) for precision casting components,
especially for turbine components,
characterized in that
the mold shell is poured (21). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale (20) in einem Sol-Gel-Verfahren (21) hergestellt wird.Method according to claim 1,
characterized in that
the mold shell (20) is produced in a sol-gel process (21). Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale nach dem Giessen (21) entformt (22) und anschließend getrocknet wird (23).Method according to claim 2,
characterized in that
the mold shell after casting (21) is removed from the mold (22) and then dried (23). Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale nach dem Trocknen (23) gesintert (24) und anschließend nachbearbeitet wird (25).Method according to claim 3,
characterized in that
the molding shell is sintered (24) after drying (23) and subsequently reworked (25). Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale (20) im Rahmen der Nachbearbeitung (25) von innen beschichtet wird.Method according to claim 4,
characterized in that
the mold shell (20) is coated from the inside during the post-processing (25). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale (20) mehrteilig gegossen wird.Method according to one of claims 1 to 5,
characterized in that
the mold shell (20) is poured in several parts. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
zu der Formschale (20) gehörige Gusskerne hergestellt werden.Method according to claim 6,
characterized in that
To the mold shell (20) associated casting cores are produced. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale (20) und/oder die Gusskerne in Vorformen aus harteloxiertem Aluminium hergestellt werden (21).Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the mold shell (20) and / or the casting cores are produced in preforms of hard anodized aluminum (21). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter der Formschale und/oder der Gusskerne so eingestellt werden, dass die Formschale und/oder die Gusskerne eine Temperaturwechselbeständigkeit von mindestens 30 Zyklen aufweisen bzw. aufweist.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the material and / or processing parameters of the shell mold and / or the casting cores are adjusted so that the shell mold and / or the casting cores have or have a thermal shock resistance of at least 30 cycles. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter der Formschale und/oder der Gusskerne so eingestellt werden, dass die Formschale und/oder die Gusskerne bei 1400°C eine thermische Dehnung von 6,5 bis 6,9·10-6 K-1 aufweisen bzw. aufweist.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the material and / or processing parameters of the shell mold and / or the casting cores are adjusted so that the mold shell and / or the casting cores at 1400 ° C have a thermal expansion of 6.5 to 6.9 · 10 -6 K -1 or . having. Verfahren einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter der Formschale und/oder der Gusskerne so eingestellt werden, dass die Formschale und/oder die Gusskerne bei 1400°C eine Heißbiegefestigkeit von 3 bis 6 MPa aufweisen bzw. aufweist.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the material and / or processing parameters of the shell mold and / or the casting cores are adjusted so that the mold shell and / or the casting cores have a hot bending strength of 3 to 6 MPa at 1400 ° C. Verfahren einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Werkstoff- und/oder Verarbeitungsparameter der Formschale und/oder der Gusskerne so eingestellt werden, dass die Formschale und/oder die Gusskerne eine glattere Oberflächenstruktur als gepresste keramische Formteile aufweisen bzw. aufweist.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the material and / or processing parameters of the mold shell and / or the casting cores are adjusted so that the mold shell and / or the casting cores have or have a smoother surface structure than pressed ceramic molded parts. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale und/oder die Gusskerne aus einem Aluminiumoxid-Aluminiumsilikat-Werkstoff hergestellt werden bzw. wird.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the mold shell and / or the casting cores are made of an alumina-aluminosilicate material or is. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale und/oder die Gusskerne aus einem Gewichtsanteil von mehr als zirka 50% Aluminiumoxid und weniger als zirka 50% Aluminiumsilikat hergestellt werden bzw. wird.Method according to claim 13,
characterized in that
the mold shell and / or the casting cores are or are produced from a weight proportion of more than about 50% aluminum oxide and less than about 50% aluminum silicate. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formschale und/oder die Gusskerne aus Korund als Aluminiumoxid und Mullit als Aluminiumsilikat hergestellt werden bzw. wird.Method according to claim 14,
characterized in that
the mold shell and / or the cores are made of corundum as aluminum oxide and mullite as aluminum silicate or is. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gusskerne aus spritzgegossenem Kunststoff hergestellt werden.Method according to claim 7,
characterized in that
the cores are made of injection-molded plastic. Verwendung einer keramischen Formschale, die nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist, für das Herstellen von Feingussbauteilen (30), insbesondere von Turbinenbauteilen.Use of a ceramic shell mold, which is produced according to one of the preceding claims, for the production of precision casting components (30), in particular of turbine components.
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